DE102019108920A1

DE102019108920A1 - Impedanznormal

Info

Publication number: DE102019108920A1
Application number: DE102019108920.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Steinbauer; Ulrich Roth; Martin Stanglmaier; Thomas Hammerschmidt; Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2020-10-08
Also published as: KR20210133231A; WO2020201007A1; US11927663B2; KR102661280B1; US20220163613A1; JP2022526328A; CN113614555A

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Kalibrierverfahren für eine elektrochemische Impedanz-Messeinrichtung, die zur Messung der Impedanz einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Lithiumionenzelle, vorgesehen ist, bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:(a) Verbinden der Impedanz-Messeinrichtung mit einem Impedanznormal, das zumindest zwei Anregungsanschlüsse (A1, A2) für die Einspeisung eines Anregungssignals und zwei Messanschlüsse (M1, M2) für die Bestimmung eines Messsignals aufweist und das eine feste oder einstellbare Impedanz besitzt, die dem Impedanz-Sollwert Zentspricht;(b) Anlegen eines Spannungssignals Uan die Anregungsanschlüsse und Messung des aufgrund von Udurch das Impedanznormal fließenden Stroms Ian den Messanschlüssen; oder Zufuhr eines Stromsignals Ian die Anregungsanschlüsse und Messung der abfallenden Spannung Uan den Messanschlüssen; und(c) Kalibrieren der Impedanz-Messeinrichtung gegenüber dem Impedanznormal auf die Impedanz Zunter Verwendung von Z = U/I= Zbzw. Z = U/I= Z, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anordnung der Anschlüsse A1, A2, M1, M2 des Impedanznormals der geometrischen Anordnung der Anschlüsse der Zelle entspricht, deren Impedanz gemessen werden soll, so dass das Impedanznormal mit der Impedanz-Messeinrichtung in der gleichen Anordnung wie die Zelle kontaktiert werden kann.Weiterhin betrifft die Erfindung ein Impedanznormal für die Durchführung des Verfahrens.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Impedanzmesseinrichtung für galvanische Zellen unter Verwendung eines Impedanznormals, sowie ein entsprechendes Impedanznormal.
Technischer Hintergrund
Die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein etabliertes Verfahren zur Charakterisierung von elektrochemischen Systemen wie insbesondere auch galvanischen Zellen. Der Stand der Technik lehrt auch, Impedanzmessungen zur Diagnose des Zustandes von Lithiumionenzellen im Automobilbereich einzusetzen.
Die Impedanzmessung kann durch Anlegen eines vorbestimmten Wechselspannungssignals U(t) an die Zelle und Messung des resultierenden Wechselstroms I(t) erfolgen, oder durch Zufuhr eines vorbestimmten Wechselstromsignals I(t) und Messung der dadurch an der Zelle abfallenden Wechselspannung U(t). Die Impedanz Z ist im Allgemeinen komplex und ergibt sich in beiden Fällen als Z = U(t)/I(t).
Zur Kalibrierung der Messeinrichtung können sogenannte Impedanznormale eingesetzt werden. Ein Impedanznormal verhält sich nach außen hin letztlich wie ein Präzisionswiderstand mit genau definierter, vorbekannter Impedanz, nachfolgend auch als Impedanz-Sollwert Z_Soll bezeichnet.
Intern handelt es sich hingegen typischerweise um aktive Bauelemente, die aus dem angelegten Eingangssignal (U(t) bzw. I(t)) ein entsprechendes Ausgangssignal I(t) bzw. U(t) erzeugen, so dass die Gleichung Z_Soll = U(t)/I(t) erfüllt ist.
Die Verwendung von Impedanznormalen wurde bereits in der Literatur diskutiert („A Nonlinear Impedance Normal“, 2012, Nordmann et al.) und die Ausführung als Schaltung ist beispielsweise in DE 10 2014 011 397 A1 beschrieben.
Speziell umfasst das Impedanznormal von DE 10 2014 011 397 A1 einen Wechselstrom-Strommesswiderstand mit höchstens 0,2 Ohm sowie eine Umsetzvorrichtung, die ausgehend von der am Wechselstrom-Strommesswiderstand abfallenden Arbeitsspannung die eigentliche Ausgangsspannung erzeugt. Die Umsetzvorrichtung kann beispielsweise in Analogtechnik unter Einsatz zweier gegengekoppelter Operationsverstärker implementiert sein. Der Impedanz-Sollwert kann dabei z.B. durch Wechsel des Gegenkopplungswiderstands am ersten Operationsverstärker eingestellt werden. Eine Ausführungsform in Digitaltechnik wird ebenfalls beschrieben. Hierbei wird das am Wechselstrom-Strommesswiderstand abfallende Spannungssignal vorverstärkt und über einen A/D-Wandler zu einem digitalen Signalprozessor (DSP) geführt, der dann das Ausgangssignal anhand der digital vorgegebenen Soll-Impedanz berechnet und über einen nachfolgenden D/A-Wandler ausgibt.
In diesem Stand der Technik steht jeweils die Umsetzung des Impedanznormals als Schaltung im Vordergrund. Der Anschluss der Impedanznormale an die Messeinrichtung ist nicht näher beschrieben und wird in der Praxis über Bananenstecker oder ähnliches realisiert.
Aufgabenstellung
Bei niederohmigen Proben (wie dies für Batteriezellen im Automobil der Fall ist) führt im Allgemeinen bereits ein Unterschied in der Anordnung der Verkabelung zu unterschiedlichen Messergebnissen für Frequenzen oberhalb von 10Hz. Somit führt die Kalibrierung über ein geometrisch beliebig ausgeführtes Impedanznormal zu Ergebnissen, die abhängig von der Kabelführung oder der Position der Anschlüsse sind. Folglich kann ein solches Impedanznormal nicht für die Kalibrierung von Prüfständen für Proben mit niederohmigen Impedanzen herangezogen werden.
Lösung der Aufgabe
In Anbetracht der obigen Problematik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Impedanznormal so auszuführen, dass zumindest die Anschlüsse des Impedanznormals mit denen der zu vermessenden Zelle übereinstimmen. Auf diese Weise kann das Impedanznormal in der gleichen Anordnung mit der Messeinrichtung verbunden werden wie die Zelle, und die Abhängigkeit von der Verkabelung kann reduziert oder eliminiert werden.
Eine Kalibrierung des Prüfstands umfasst somit auch die Kabelführung und Zellhalterung. Damit können Impedanzmessdaten oberhalb von 10Hz zur weiteren Auswertung herangezogen werden. Durch die Kalibrierung kann nun auch eine Korrekturfunktion abgeleitet werden, um die Anteile aus der Verkabelung herauszurechnen und einen erweiterten Frequenzbereich von 10Hz bis mindestens 100kHz sinnvoll auswerten zu können.
Weiterhin kann eine Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Prüfständen erreicht werden. Somit können die Messergebnisse auf verschiedenen Prüfständen nun auch für Frequenzen >10Hz quantitativ verglichen werden.
Figurenliste

1 zeigt den Umriss einer Lithiumionenzelle im Formfaktor PHEV-1 mit plattenförmigen Anschlusskontakten.
2 ist eine Skizze des erfindungsgemäß einsetzbaren Impedanznormals, das das gleiche Format wie die in 1 gezeigte Zelle aufweist und dessen zweigeteilte Anschlüsse A1/M1 bzw. M2/A1 mit den Anschlusskontakten der Zelle übereinstimmen. Auf der Platine ist die eigentliche Schaltung des Impedanznormals implementiert.
3 zeigt eine Ausführungsform der Kontakte des erfindungsgemäßen Impedanznormals, in der Source-Anschluss (A1 bzw. A2) und Sense-Anschluss (M1 bzw. M2) nebeneinander liegen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der der Sense-Anschluss (M1, M2) innen liegt und von der Kontaktfläche des Source-Anschluss (A1, A2) vollständig umgeben ist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der der Sense-Anschluss als Inlay in eine in die Kontaktplatte des Source-Anschlusses eingefräste Rille eingebracht ist. Der Sense-Kontakt ist zumindest nach unten hin gegenüber dem Source-Kontakt elektrisch isoliert. Weiterhin kann die Kontaktfläche des Sense-Kontakts gegenüber derjenigen des Source-Kontakts nach unten versetzt sein, beispielsweise um etwa 1 mm.

Detaillierte Beschreibung
Impedanz-Messeinrichtung
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für beliebige Impedanz-Messeinrichtungen einsetzbar, die für die Impedanzmessung oder impedanzspektroskopische Untersuchung (EIS) von galvanischen Zellen, insbesondere Lithiumionenzellen, vorgesehen sind. Beispielsweise kann es sich um eine Prüfstand-Messeinrichtung handeln, oder um eine Messeinrichtung, die zur Online-Diagnose fest in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug installiert ist.
Die Messeinrichtung weist zumindest einen Ausgang für das Anregungssignal (Source) und einen Eingang für das Messsignal (Sense) auf, die wiederum jeweils zwei Anschlüsse (Source+ und Source- bzw. Sense+ und Sense-) umfassen. Das Source-Signal kann grundsätzlich ein Spannungs- oder ein Stromsignal sein, dementsprechend ist das Sense-Signal ein Strom- bzw. Spannungssignal. Bevorzugt wird als Source-Signal ein Stromsignal eingesetzt (galvanostatische Messung).
Die Messfrequenz ist nicht speziell beschränkt und kann beispielsweise 5 Hz bis 100 kHz betragen.
Der Kontaktierungsabschnitt, in dem die Messeinrichtung mit der Zelle verschaltet wird, kann als Haltevorrichtung ausgestaltet sein, in das die gesamte Zelle eingebracht, beispielsweise eingespannt werden kann. Die Verbindung der Source- und Sense-Anschlüsse der Messeinrichtung mit den Anschlüssen der Zelle kann dann über entsprechend in der Haltevorrichtung vorgesehene Kontaktelemente erfolgen.
Alternativ kann die Messeinrichtung so ausgestaltet sein, dass sie ein auf die Zelle aufsteckbares Buchsenelement aufweist oder als Ganzes auf die Zelle aufgesteckt werden kann, um die Verbindung herzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Messeinrichtung auch fest in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug oder in einem Batteriepack installiert sein, beispielsweise um eine Kalibrierung und Validierung der Messmittel für eine online-Impedanzmessung im laufenden Betrieb zu ermöglichen.
Wenn die Messeinrichtung durch das erfindungsgemäße Verfahren kalibriert werden soll, wird anstelle der Zelle das nachfolgend beschriebene Impedanznormal eingesetzt und mit der Messeinrichtung auf die gleiche Weise kontaktiert. In einem kompletten Speicher kann auch eine einzelne durch ein Impedanznormal ersetzt werden um die korrekte Funktion der Impedanzmessungseinrichtung im Betrieb zu überwachen.
Kontaktanordnung des Impedanznormals
Das erfindungsgemäß eingesetzte Impedanznormal weist zumindest zwei Anregungsanschlüsse (A1, A2) für die Einspeisung des Source-Signals und zwei Messanschlüsse (M1, M2) für die Bestimmung eines Messsignals auf. Erfindungsgemäß entspricht die geometrische Anordnung dieser Anschlüsse derjenigen der Anschlüsse der Zelle, deren Impedanz gemessen werden soll, so dass das Impedanznormal mit der Impedanz-Messeinrichtung in der gleichen Anordnung wie die Zelle kontaktiert werden kann.
Falls die Impedanz-Messeinrichtung für Zellen mit einem standardisierten Formfaktor vorgesehen ist, beispielsweise prismatischen Zellen vom Typ PHEV1 oder PHEV2, und für den Formfaktor auch die Anschlusspositionen festgelegt sind, dann entsprechen die Anschlüsse des Impedanznormals der Anschlussposition wie im entsprechenden Standard spezifiziert.
In einer Ausführungsform kann die Zelle, die vermessen werden soll, bereits für eine Vierpunktkontaktierung ausgelegt sein und dementsprechend zwei Anoden- bzw. Kathodenanschlüsse aufweisen, von denen jeweils einer für die Spannungsmessung vorgesehen ist. In diesem Fall sind die Kontaktflächen der Anschlüsse des Impedanznormals so angeordnet, dass sie mit der Anschluss-Anordnung der Zelle übereinstimmen.
Alternativ besitzt die Zelle nur einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss. Beim entsprechenden Impedanznormal sind dann Kontaktflächen der Anschlüsse A1 und E1 so angeordnet, dass sie gemeinsam mit der Kontaktfläche des Anodenanschlusses der Zelle übereinstimmen. Gleiches gilt auch für die Anschlüsse A2 und E2 bezüglich des Kathodenanschlusses.
Wenn beispielsweise die Anschlüsse der Zelle plattenförmig sind, wie in 1 am Beispiel einer PHEV-1 Zelle gezeigt, so können die Anschlüsse des Impedanznormals jeweils zweigeteilt nebeneinanderliegend angeordnet sein, etwa mit außenliegenden Source-Kontaktflächen A1 bzw. A2 und innenliegenden Sense-Kontaktflächen M1 bzw. M2, wie in 2 gezeigt.
3 zeigt die Anordnung von A1 (Source) und M1 (Sense) in Draufsicht. Zwischen A1 und M1 befindet sich zur elektrischen Isolierung typischerweise ein Luftspalt oder ein isolierendes Trennelement. Für die andere Seite (d.h. A2 bzw. M2) ist die Anordnung entsprechend gespiegelt.
Alternativ können die Kontaktflächen der Anschlüsse A1 bzw. A2 die Kontaktflächen der Anschlüsse E1 bzw. E2 zumindest teilweise umgeben. 4 zeigt eine solche (koaxiale) Anordnung, in der der Sense-Kontakt E1/E2 als eine Art Insel vom Source-Kontakt A1/A2 umgeben ist, wobei die Kontaktflächen wieder durch einen Spalt oder eine Isolierung voneinander abgegrenzt sind.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Sense-Kontakt E1 als Einlage (Inlay) in die Kontaktfläche von A1 eingebracht sein. Eine solche Anordnung ist in 5 gezeigt. Hierbei ist in ein plattenförmiges Kontaktelement, das als Source-Anschluss A1 fungiert, eine rillenförmige Vertiefung eingefräst. In diese ist als Inlay das als Sense-Anschuss E1 dienende Kontaktelement eingebracht. Zwischen den beiden Kontaktelementen ist eine elektrische Isolierung vorgesehen. Vorzugsweise kann die Kontaktfläche des Inlays etwas tiefer liegen als die Kontaktfläche des plattenförmigen Kontaktelements, beispielsweise um etwa 1 mm.
Äußere Gestalt des Impedanznormals
Erfindungsgemäß entspricht zumindest die Geometrie und die räumliche Anordnung der Anschlüsse A1/A2/E1/E2 des Impedanznormals derjenigen der Zelle. Die äußere Gestalt des Impedanznormals ist nicht speziell beschränkt, solange die Messeinrichtung mit dem Impedanznormal auf die gleiche Weise wie die Zelle kontaktiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform entsprechen auch die weiteren Abmessungen des Impedanznormals denjenigen der Zelle, deren Impedanz gemessen werden soll, so dass das Impedanznormal auf die gleiche Weise wie die Zelle in die Messeinrichtung eingebracht werden kann.
Falls die Messeinrichtung beispielsweise für PHEV1-Zellen vorgesehen ist, entsprechen die Abmessungen des Impedanznormals vorzugsweise denen einer PHEV1-Zelle, wie in 1 und 2 gezeigt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Impedanznormal auch ein Gehäuse aufweisen, das dem PHEV1-Standard entspricht.
Gleiches gilt natürlich auch für beliebige andere Formfaktoren, beispielsweise PHEV2, BEV1 oder BEV2 (nach VDA) .
Interner Aufbau und Funktionsweise des Impedanznormals
Die Impedanz des Impedanznormals ist typischerweise niederohmig und liegt im Bereich der für die Zelle zu erwartenden Impedanz, beispielsweise im Bereich von 1 mOhm oder weniger, typischerweise 0,5 mOhm oder weniger.
Der interne Aufbau des Impedanznormals ist nicht speziell beschränkt, und es können alle bekannten Bauweisen eingesetzt werden. Insbesondere kommen auch die in DE 10 2014 011 397 A1 beschriebenen Bauweisen in Betracht.
Das Impedanznormal kann eine einzige festgelegte Impedanz aufweisen. Wenn mehrere Kalibrierungspunkte aufgenommen werden sollen, müssen mehrere Impedanznormale mit verschiedenen Impedanzen eingesetzt werden, die entsprechend ausgetauscht werden.
Alternativ kann das Impedanznormal mehrere einstellbare Impedanzen aufweisen, die beispielsweise durch Umschalten eines Widerstands ausgewählt werden können. Falls das Impedanznormal in Digitaltechnik ausgeführt ist und das Ausgangssignal durch einen Signalprozessor (DSP) erzeugt wird, so kann die Impedanz durch entsprechende Programmierung des DSP eingestellt werden. Insbesondere können in diesem Fall sowohl der Betrag als auch die Phasenverschiebung des Ausgangssignals frei gewählt werden, so dass diese Ausführungsform im Hinblick auf die Flexibilität bei der Auswahl der Kalibrierungspunkte bevorzugt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Impedanznormal zusätzliche Steuerungsanschlüsse zur Einstellung des Impedanzwerts Z_Soll und/oder zur Abfrage des eingestellten Werts auf. Diese können über eine entsprechende Steuerungsschnittstelle mit der Messeinrichtung verbunden werden, so dass die Einstellung des Soll-Wertes, die Kalibrierung und gegebenenfalls die Wiederholung für weitere Kalibrierungspunkte automatisiert durchgeführt werden können. Hierzu kann in der Messeinrichtung ein entsprechendes Kalibrierungsprogramm hinterlegt sein, das mehrere Messpunkte bei unterschiedlichen Impedanz-Sollwerten und/oder unterschiedlichen Frequenzen umfasst. Die Messpunkte können dann automatisiert abgefahren werden, wobei die Impedanz-Messeinrichtung über die Steuerungsschnittstelle die entsprechenden Referenz-Sollwerte des Impedanznormals programmgesteuert einstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014011397 A1 [0006, 0007, 0033]

Claims

Kalibrierverfahren für eine elektrochemische Impedanz-Messeinrichtung, die zur Messung der Impedanz einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Lithiumionenzelle vorgesehen ist, umfassend: (a) Verbinden der Impedanz-Messeinrichtung mit einem Impedanznormal, das zumindest zwei Anregungsanschlüsse (A1, A2) für die Einspeisung eines Anregungssignals und zwei Messanschlüsse (M1, M2) für die Bestimmung eines Messsignals aufweist und das eine feste oder einstellbare Impedanz besitzt, die dem Impedanz-Sollwert Z_Soll entspricht; (b) Anlegen eines Spannungssignals U_Ein an die Anregungsanschlüsse und Messung des aufgrund von U_Ein durch das Impedanznormal fließenden Stroms I_Aus an den Messanschlüssen; oder Zufuhr eines Stromsignals I_Ein an die Anregungsanschlüsse und Messung der abfallenden Spannung U_Aus an den Messanschlüssen; und (c) Kalibrieren der Impedanz-Messeinrichtung gegenüber dem Impedanznormal auf die Impedanz Z_Soll unter Verwendung von Z = U_Ein/I_Aus = Z_Soll bzw. Z = U_Aus/I_Ein = Z_Soll, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anordnung der Anschlüsse A1, A2, M1, M2 des Impedanznormals der geometrischen Anordnung der Anschlüsse der Zelle entspricht, deren Impedanz gemessen werden soll, so dass das Impedanznormal mit der Impedanz-Messeinrichtung in der gleichen Anordnung wie die Zelle kontaktiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zelle einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss aufweist, und die Anordnung der Kontaktflächen der Anschlüsse A1 und E1 bzw. A2 und E2 des Impedanznormals zusammengenommen mit der Anordnung der Kontaktfläche des Anodenanschlusses bzw. Kathodenanschlusses übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Kontaktflächen der Anschüsse A1 und E1 sowie A2 und E2 jeweils nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Kontaktflächen der Anschlüsse A1 bzw. A2 die Kontaktflächen der Anschlüsse E1 bzw. E2 zumindest teilweise umgeben.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die Anschlüsse A1 bzw. A2 plattenförmig sind, und die Anschlüsse E1 bzw. E2 auf der Kontaktseite der Platte als Einlage eingebracht sind.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zelle für eine Vierpunktkontaktierung vorgesehen ist und jeweils zwei Anoden- bzw. Kathodenanschlüsse aufweist, und die Anordnung der Anschlüsse A1 und E1 bzw. A2 und E2 des Impedanznormals mit der Anordnung der Anoden- bzw. Kathodenanschlüssen der Zelle übereinstimmt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Schritte (b) bis (d) für mehrere verschiedene Impedanzwerte Z_Soll und/oder mehrere verschiedene Anregungssignale wiederholt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Impedanznormal zusätzliche Steuerungsanschlüsse zur Einstellung des Impedanzwerts Z_Soll und/oder zur Abfrage des eingestellten Werts aufweist.
Impedanznormal zur Kalibrierung für eine elektrochemische Impedanz-Messeinrichtung für Lithiumionenzellen, das für das Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 konfiguriert ist.
Impedanznormal gemäß Anspruch 9, dessen Anschlussanordnung dem Formfaktor PHEV1, PHEV2, BEV1 oder BEV2 entspricht.